一种H13空心芯棒的制造方法与流程

　　本发明涉及一种H13空心芯棒的制造方法，属模具制造工艺技术领域。

　　背景技术：

　　H13钢芯棒是冶金行业新式连轧机组轧制无缝钢管的主要工装，是一种高附加值的大宗消耗备件，其常用规格为直径φ107~350mm。随着连轧机组制造技术的发展，大型连轧机组的应用越来越普遍，φ230~350mm系列中大规格或φ350~460mm系列大规格H13钢芯棒的需求量也越来越大。中大规格系列连轧机组使用的H13钢芯棒，因属于超细长杆件，且重量大，使用过程中极易在连接部位产生断裂，特别是由于芯棒过长过重，极易产生弯曲度过大造成轧制钢管壁厚超差等问题。因此，开发高品质H13空心芯棒，减轻芯棒重量，是目前国内外模具钢生产制造行业亟待解决的问题。

　　过去，我国采用自由锻造的方法生产H13实心芯棒，然后再采用机械钻孔的方法加工成H13空心芯棒。但是，自由锻造工艺技术存在锻造速度慢、生产效率低，加工余量大等问题，机械钻孔又存在材料浪费严重等问题，再加上H13钢材料本身的特殊性，严重地制约了H13空心芯棒的应用开发。

　　技术实现要素：

　　本发明的目的是提供一种能够节能、增效，芯棒外径尺寸公差达到±0.5mm，内径尺寸公差达到±2mm，力学性能满足RP0.2≥930MPa，Rm≥1150MPa，A≥10%，AKV2≥30J的一种H13空心芯棒的制造方法。

　　本发明将黑色金属垂直挤压技术与旋转精密锻造技术结合起来，利用垂直挤压预制管坯，通过旋转精密空心缩径锻造成形。

　　制造方法步骤如下：

　　1）冶炼：采用电弧炉熔炼+LF炉外精炼+VD真空处理的方法进行冶炼，提高钢水纯净度；

　　2）浇铸：采用水冷模进行浇铸，增加钢锭的凝固速度，以减少偏析，提高冶金质量；

　　3）高温均质化处理：采用阶梯加热方式，使钢锭成分和组织尽可能地均一化，避免后期因变形产生带状组织；

　　4）垂直挤压：采用黑色金属垂直挤压机将经镦粗、穿孔的钢锭挤压成管坯，挤压后进行细晶化+扩氢热处理；

　　5）旋转精锻：采用旋转精锻机，通过多道次小变形的方式，对挤压管坯进行空心缩径锻造，锻后立即进行水空双介质交替循环冷却处理；

　　6）热处理：等温球化退火+高温正火+调质处理；调质处理前进行高温正火，可提高产品综合力学性能，等温球化退火、高温正火和淬火采用井式加热炉，回火采用旋转井式加热炉，以减少工件热变形，并提高回火均匀性。

　　进一步：步骤1）电炉出钢前控制钢液中碳含量≥0.15%，精炼过程中铝含量控制为0.008%~0.025%，VD处理后控制钢液中自由氧含量≤6ppm。

　　进一步：步骤2）采用水冷模浇铸，浇注时保证钢液温度不低于1560℃，冷却管水压为0.15~0.4MPa，出水口温度位30~45℃，不仅保证足够的冷却速度，而且可以避免冷裂纹的产生。

　　进一步：步骤3）加热速度不高于80℃/h，预热温度为550~600℃，保温时间为2~3h，加热温度为1250~1270℃，保温时间为25~30h，钢锭预热可降低内外温差，减少加热后的均温时间，避免产生组织过热。

　　进一步：步骤4）采用垂直挤压预制空心芯棒管坯，挤压温度为1270~1290℃，挤压后进行细晶化+扩氢热处理，首先将挤压后的工件空冷至320~350℃，保温时间为3~5h，再加热至1030~1050℃，保温时间为3~5h，再空冷至710~720℃，保温时间为20~30h。

　　进一步：步骤5）采用旋转精密空心缩径锻造成形，始锻温度为1160~1180℃，终锻温度≥950℃，总锻造比≥2.0，单道次缩径系数为0.80~0.92，轴向进给速度为3~4m/min，周向旋转角度为10~16o，锻造频次为180~240min-1，保证缩径锻造尺寸精度，外径尺寸偏差±0.5mm，内径尺寸偏差±2mm，并消除挤压产生的过热组织；锻造后立即进行水空双介质交替循环冷却处理，工件入水温度不低于900℃，单次水冷和空冷时间均为60~90s，保证工件出水后表面更高回升温度为320~350℃，工件截面温度为320~500℃，防止网状碳化物的析出及冷裂纹的产生；本发明工件出水后表面更高回升温度低于320℃时，工件因发生马氏体转变而产生裂纹，工件出水后表面更高回升温度高于350℃时，工件心部晶界处易形成连续网状碳化物；

　　进一步：步骤6）等温球化退火加热温度为860~870℃，保温时间为10~15h，以≤10℃/h的速度炉冷至790℃，再以≤20℃/h的速度炉冷至600℃后出炉空冷；高温正火加热温度为1030~1050℃，保温时间为4~6h，出炉空冷，再加热至760±10℃，保温6~8h，炉冷至≤500℃出炉空冷；淬火加热温度为1030~1040℃，保温时间为4~6h，出炉水冷；回火加热温度为610~645℃，保温时间为8~10h，出炉空冷，回火进行两次，第二次回火比**次回火温度高10~15℃。

　　本发明对经高温均质化处理的水冷钢锭，通过镦粗、穿孔、垂直挤压成管坯，采用多道次小变形方式进行旋转精密空心缩径锻造，锻后芯棒外径尺寸公差达到±0.5mm，内径尺寸公差达到±2mm，并通过优化工艺参数，获得力学性能满足RP0.2≥930MPa，Rm≥1150MPa，A≥10%，AKV2≥30J的H13空心芯棒，实现节能、增效、提高产品质量的目的。

　　附图说明

　　图1为本发明方法工艺流程图。

　　具体实施方式

　　实施例1

　　现将本发明的具体实施例叙述于后。

　　1）采用电弧炉熔炼、LF炉外精炼、VD真空处理进行H13钢的冶炼，电炉出钢前C含量控制为≥0.15%，精炼过程中Al含量控制在0.008~0.025%，VD后自由氧含量控制为≤6ppm，氢含量控制为≤1.5ppm；

　　2）熔炼后，采用水冷模进行浇铸，浇铸时钢液温度不低于1560℃，冷却管水压为0.3~ 0.4MPa，出水口温度为35~45℃，浇铸过程中使用氩气保护装置，防止钢液二次氧化，并严格控制流速；

　　3）钢锭脱模后，进行高温均质化处理，预热温度为550~600℃，保温时间为3h，加热温度为1250~1260℃，保温时间为25h；

　　4）采用150MN油压机对经高温均质化处理的钢锭进行镦粗、穿孔，然后采用360MN黑色金属垂直挤压机将穿孔坯挤压成空心芯棒管坯，挤压加热温度为1270℃，保温时间为5h，挤压管坯尺寸为φ762mm×φ582mm×6700mm（外径×内径×长度）；挤压后进行细晶化+扩氢热处理，首先将挤压后的工件空冷至320~350℃，保温时间为3~5h，再加热至1030~1050℃，保温时间为4h，再空冷至710~720℃，保温时间为26~30h。

　　5）采用16MN旋转精锻机对挤压管坯进行缩径锻造成形，锻造过程中采用多道次小变形方式，始锻温度为1160~1180℃，终锻温度950~960℃，总锻造比≥2.0，单道次缩径系数为0.86~0.92，轴向进给速度为3~3.3m/min，周向旋转角度为10~11o，锻造频次为220~230min-1，锻后空心芯棒的尺寸为φ385mm×φ103mm×11700mm，产品尺寸技术要求为φ385mm×φ104mm× 11000mm，外径尺寸公差达到±0.5mm，内径尺寸公差达到±2mm；锻造后立即进行水空双介质交替循环冷却处理，工件入水温度不低于900℃，单次水冷时间80~90s，单次空冷时间70~80s，保证工件出水后表面更高回升温度为320~350℃，工件截面温度为320~500℃，防止网状碳化物的析出及冷裂纹的产生；本发明工件出水后表面更高回升温度低于320℃时，工件因发生马氏体转变而产生裂纹，工件出水后表面更高回升温度高于350℃时，工件心部晶界处易形成连续网状碳化物；

　　6）等温球化退火加热温度为860~870℃，保温时间为10~15h，以≤10℃/h的速度炉冷至790℃，再以≤20℃/h的速度炉冷至600℃后出炉空冷；高温正火加热温度为1030~1040℃，保温时间为4~5h，出炉空冷，再加热至760±10℃，保温6~8h，炉冷至≤500℃出炉空冷；淬火加热温度为1030~1040℃，保温时间为4~6h，出炉水冷；回火加热温度为610~645℃，保温时间为8~10h，出炉空冷，回火进行两次，第二次回火比**次回火温度高10~15℃。等温球化退火、高温正火和淬火采用井式加热炉，回火采用旋转井式加热炉。

　　力学性能测试结果见表1。

　　实施例2

　　现将本发明的具体实施例叙述于后。

　　1）采用电弧炉熔炼、LF炉外精炼、VD真空处理进行H13钢的冶炼，电炉出钢前C含量控制为≥0.15%，精炼过程中Al含量控制在0.008~0.025%，VD后自由氧含量控制为≤6ppm，氢含量控制为≤1.5ppm；

　　2）熔炼后，采用水冷模进行浇铸，浇铸时钢液温度不低于1560℃，冷却管水压为0.3~ 0.4MPa，出水口温度为35~45℃，浇铸过程中使用氩气保护装置，防止钢液二次氧化，并严格控制流速；

　　3）钢锭脱模后，进行高温均质化处理，预热温度为550~600℃，保温时间为3h，加热温度为1250~1260℃，保温时间为25h；

　　4）采用150MN油压机对经高温均质化处理的钢锭进行镦粗、穿孔，然后采用360MN黑色金属垂直挤压机将穿孔坯挤压成空心芯棒管坯，挤压加热温度为1270℃，保温时间为5h，挤压管坯尺寸为φ762mm×φ582mm×6700mm（外径×内径×长度）；挤压后进行细晶化+扩氢热处理，首先将挤压后的工件空冷至320~350℃，保温时间为3~5h，再加热至1030~1050℃，保温时间为4h，再空冷至710~720℃，保温时间为26~30h。

　　5）采用16MN旋转精锻机对挤压管坯进行缩径锻造成形，锻造过程中采用多道次小变形方式，始锻温度为1160~1180℃，终锻温度950~960℃，总锻造比≥2.0，单道次缩径系数为0.83~0.92，轴向进给速度为3.4~3.6m/min，周向旋转角度为11~13o，锻造频次为230~240min-1，锻后空心芯棒的尺寸为φ385mm×φ103mm×11700mm，产品尺寸技术要求为φ385mm×φ104mm× 11000mm，外径尺寸公差达到±0.5mm，内径尺寸公差达到±2mm；锻造后立即进行水空双介质交替循环冷却处理，工件入水温度不低于900℃，单次水冷时间80~90s，单次空冷时间70~80s，保证工件出水后表面更高回升温度为320~350℃，工件截面温度为320~500℃，防止网状碳化物的析出及冷裂纹的产生；本发明工件出水后表面更高回升温度低于320℃时，工件因发生马氏体转变而产生裂纹，工件出水后表面更高回升温度高于350℃时，工件心部晶界处易形成连续网状碳化物；

　　6）等温球化退火加热温度为860~870℃，保温时间为10~15h，以≤10℃/h的速度炉冷至790℃，再以≤20℃/h的速度炉冷至600℃后出炉空冷；高温正火加热温度为1040~1050℃，保温时间为4~5h，出炉空冷，再加热至760±10℃，保温6~8h，炉冷至≤500℃出炉空冷；淬火加热温度为1030~1040℃，保温时间为4~6h，出炉水冷；回火加热温度为610~645℃，保温时间为8~10h，出炉空冷，回火进行两次，第二次回火比**次回火温度高10~15℃。等温球化退火、高温正火和淬火采用井式加热炉，回火采用旋转井式加热炉。

　　力学性能测试结果见表2